Kogu selle hiidtöö käivitajaks oli NASA eelkäija NACA – National Advisory Commitee for Aeronautics. See föderaalagentuur loodi USA lennunduse arendamiseks juba 3. märtsil 1915 ning koostöös US Air Force’iga tegutses aastani 1958, mil organisatsioon saadeti laiali ja reorganiseeriti NASA-ks. Nende kahe poolt algatati 40ndate keskel nn Hyper X-plane-programm eesmärgiga luua seeria eksperimentaal- ja katselennukeid.
Projekti esimeseks koostööpartneriks sai 1935. aastal asutatud ja Teise maailmasõja ajal tuntuks saanud hävituslennukite tootja Bell Aircraft. Algse nimega XS-1 lennuki esmaidee sündis aastal 1944 eesmärgiga ehitada piloteeritav lennuk, mis suudaks ületada helikiiruse 2–5 minuti jooksul kõrgusel 11 000 m. 16. märtsil 1945 kirjutasid NACA ja USAF alla lepingu kolme XS-1 ehitamiseks. Lennukile valiti jõuallikaks rakettmootor, kuna turboreaktiivil jäi suurtel kõrgustel vajaka jõudlusest ning kombineeritud lahendus oleks olnud liialt suur ja raske. Nelja põlemiskambriga mootori ehitajaks sai Reaction Motors Inc., toona USA esimene vedelkütusega rakettmootorite valmistaja. Rakettmootori XLR11 jaoks katsetati erinevaid kütuseid (aniliin, nitrometaan jpt), kuid lõpuks jäädi etanooli juurde, oksüdeerijaks valiti vedel hapnik (LOX). See mootor arendas summaarset tõuke-(veo-)jõudu 27 kN.
Esimestel lendudel oli X-1 peapiloodiks Jack Woolams, kes sooritas rea katsemaandumisi pärast lennuki vabastamist emalennuki B-29 pardalt. 1947. aastal sai piloodiks Charles E. „Chuck“ Yeagers, kes piloteeriski 14. oktoobril 1947 maailma esimest mehitatud ülehelikiirusega lendu. Lennuk X-1-1 Glamorous Glennis seerianumbriga 46-062 lasti lendu B-29 pommiluugist ning lennuk saavutas kiiruse Mach 1,06 (üle 1100 km/h). Tuletagem meelde, et helikiirus pole mingi konstantne suurus – see sõltub keskkonnast ja selle tingimustest (õhurõhk, temperatuur jne). See oli XS-seeria lennukite järjekorras viiekümnes lend. Selle saavutuse eest said kolm meest 1948. aastal National Aeronautics Association Collier Trophy auhinna – lisaks piloot Yeagerile ka Bell Aircrafti juht Larry Bell ning NACA poolelt John Stack.
Kuulsaim X – X-15
Töö X-ide vallas käis hooga edasi, kuigi suurele lavale ei astunud sealt esialgu keegi – X-8, X-9, X-11 ja X-12 olid rohkem raketid kui lennukid ja kasutuses peamiselt uute mootorite väljatöötamisel –, kuni varastel 60ndatel ilmus North Americani X-15 rakettlennuk. See võib-olla kõige laiemalt tuntud X kirjutas end maailma lennunduse ajalukku suurte kuldsete tähtedega. Nüüd juba NASA ja USAFi koostöös loodud superlennuki projekt sündis veel NACA aegadel Walter Dornbergeri ideest. Projekti kaasati kaks toonast suurfirmat – North American Aviation (1955) ehitama lennuki keret ja meile juba tuntud Reaction Motors Inc. (1956) looma mootorit. B-29 asemel viidi X-15 stardikõrgusele juba uuemate ja võimsamate B-52 lennukite abil: Air Force NB-52A The High & Mighty One ja hiljem NB-52B The Challenger tiibade all. Nad vabastati iseseisvaks lennuks umbes 13,7 km kõrgusel kiirusel üle 800 km/h.
Esimesed 24 lendu sooritasid X-15 lennukid veel vanade XS-1 aegadest tuntud, kuid oluliselt täiustatud XLR11-mootoritega, mille veojõudu oli tõstetud varasema 27 kN pealt 71 kN peale. Novembriks 1960 tõi Reaction Motors välja oma uusima ühe põlemiskambriga XLR99-mootori veojõuga 250 kN ehk siis esimese X-ga võrreldes pea kümme korda võimsama jõuallika. Kütusena hakati kasutama veeldatud ammoniaaki ja LOXi. Ülejäänud 175 X-15-te lennu puhul kasutati vaid seda uut mootorit. Mootori võimsust näitab seegi, et ta kõrvetas endast 80 sekundi jooksul läbi 6,8 tonni kütust. Tasapisi saabuski oktoober 1967, mil William J. „Pete“ Knight ületas kõrgusel 31,12 km kiiruse Mach 6,7 (7274 km/h), mis on tänaseni jäänud ületamatuks mehitatud lennu kiirusrekordiks. Kuid X-15 X-plane’id olid olnud ennegi kiired – juba 11. juulil 1961 murdus nende ees 6585 km/h.
Kokku sooritasid X-15 pardal 12 pilooti 199 lendu – nende seas esimene Kuul käinud inimene Neil Armstrong –, kaheksa neist said USAF Astronaut Wings tiitli. USAF autasustab nimelt astronaudi tiitliga kõiki inimesi, kes on tõusnud kõrgemale kui 80 km, FAI (Fédération Aéronautique Internationale, rahvusvaheline lennuspordiliit) aga alles 100 km piiri ületamisel. USAF andis neile tiitli kohe, NASA aga alles aastal 2005. Kuid üks X-15 piloot on selle täisau ära teeninud kahekordselt – Joe Walker ületas 100 km piiri kahel korral (105,9 km ja 107,8 km). Kokku lendas taevas kolm (neli) X-15 modifikatsiooni – X-15-1 tegi 81, X-15-2 31 lendu selle ja 22 hilisema X-15-A-2 tähistuse all ehk kokku 53 ning X-15-3 ehk X-15-A-2 65 lendu. Viimane X-15 lend toimus 24. oktoobril 1968.
Kosmos ootab
Nagu näeme, saadi kosmose piirid lennukiga X-15 kätte, kuid… See oli (suhteliselt) ülimalt kerge lennuvahend, mille peamiseks laadungiks oleks olnud kütus ja sellisena ei sobinuks ta kosmoselendude teenindamiseks. Kuid kulukad kanderakettidega kosmosemissioonid olid samuti ilmselgelt liiga kallid pikaajaliseks ekspluateerimiseks. Ainuüksi nende maandumiskapslid, mis olid edasiseks kasutuseks kõlbmatud ning täitsid kohti lennundus- ja tehnoloogiamuuseumites, olid kuluartikkel omaette. X-plane’i peal kasulikku koormat kosmosesse vedada oli (pea) võimatu, kuid idee kasutada neid korduvalt maanduvate katselennukitena tulevikku suunatud kosmosesõidukite väljatöötamiseks tundus ahvatlev.
Sellise tehnoloogia arendamine algas ammu enne esimesi Apollo-lende – aastal 1962 alustas NASA koos firmaga Dryden katsetusi nn lendava vanniga. Projekt sai nimeks M2-F1 (M – manned, mehitatud, F – flying, lendav). Nelja aasta jooksul sooritati edukalt mitu stratosfäärist alla visatud X-i maandumist ja tundus, et see keretüüp õigustab ennast. Järgnenud versioonid tundusid kontseptsiooni veelgi enam õigustavat ja nii jõutigi mudelini Boeing X-20 Dyna-Soar, kuid sellele mudelile tõmmati pidur peale. Lisaks rahalistele probleemidele (katkestamise hetkeks oli läbi põletatud praeguses vääringus üle 5,5 miljardi dollari) ei suudetud püstitada ühtset eesmärki ega suudetud valida kiirendit olemasolevate kanderakettide seast.
Uueks katsemudeliks sai Martin X-23A PRIME (Precision Reentry Including Maneuvering reEntry). Selle testid algasid detsembris 1966 ning katsed olid mõeldud peamiselt Maa atmosfääri taassisenevate objektide dünaamika uurimiseks. See mudel oli veel üsna algeline ja tegi pealekauba mitu avariid, mistõttu asendati kiirelt Martin Marietta X-24 versiooniga. Sealgi asendati algne X-24A kiirelt versiooniga X-24B. Just nimelt sellelt lendavalt vannilt said oma kandva idee palju hilisemad süstikuprogrammide lennukid.
X-24A paisati lendu B-52 Stratofortress tiiva alt. Esimese mehitamata lennu sooritas ta aprillis 1969. X-24B tegi esimese mehitatud lennu augustis 1973. Selle mudeli lennud andsid kindla teadmise, et tulevased kosmosesüstikud on suutelised maanduma nii mehitatud kui automaatrežiimis. Ja nagu me kosmosesüstikute programmist nägime, viis see inimkonna ennenägematutele kõrgustele. Kuid X-de tee polnud veel lõppenud – kuhu edasi?
Kosmoselennuk X-30
Seda lennukit hakati planeerima NASA ja DoD’i (Department of Defence, USA kaitseministeerium) NASP (National Aero-Space Plane) programmi jaoks. 1986. aastal hõiskas toonane president Ronald Reagan uue suurejoonelise Idaekspressi loomisest, mis katnuks kosmose rannavetesse tõustes vahemaa Washingtonist Tokyosse 2 tunniga. SSTO (Single-Stage-To-Orbit) lennuk pidi saavutama 20-25kordse helikiiruse. Lennuki kere loomist pakuti McDonnell Douglasele, Rockwell Internationalile ja General Dynamicsile; mootorite loomine jäi Rocketdyne’i ja Pratt ja Whintney mureks. 1990. aastal liitusid kereloojad Rockwelli juhtimise alla ning prototüübi arendus algas. Kuid oma probleemid kerkisid seejuures nii NASAl kui DoDil – viimane tahtis nt inimjuhitavat lennukit koos kõigi instrumentaariumite ja ohutuse tagamise vahenditega. See kõik tõstis järjest projekti maksumust ning aastal 1993 katkestati projekt finantsprobleemide tõttu ühtegi katselennuks sobivat mudelit valmis ehitamata.
Lennuk oli kavas ehitada pea 50 m pikana, tiiva siruulatusega 22,5 m ja kaaluga 136 tonni. Tema üks scramjet-mootor (Supersonic Combustible Ramjet) oleks kasutanud kütusena vedelat vesinikku (LH2) ja õhku. Suurem osa lennuki kerest oleks pidanud taluma pea 980kraadist, kriitilised osad aga kuni 1650kraadist kuumust. Seega oleks saanud või tulnud kasutada vaid ülikalleid materjale, mis hinna taevasse ajasidki.
Joint Strike Fighter (JSF, ründe- ja hävituslennuk)
Järgmine suur (ja realiseerunud) edulugu X-plane’idel oli JSF-võistlus. DoD, USAF ja NATO riikide õhujõud soovisid asendada juba aegunud hävitajate ja ründelennukite mudeleid (USA F-16, F/A-18, AV-8B, A-10, brittide Harrietid ning mitme riigi ühistöös valminud Tornadod) uute universaalsete lennukitega – kolme tulevase variandi puhul pidid 80% koostisosadest olema samad. Lennukid pidid olema võimelised tavastardiks ja –maandumiseks lennuväljadel, lühistardiks ja -maandumiseks lennukikandjail ning ka vertikaalstardiks ja -maandumiseks. 1993 kuulutatigi võistlus avatuks ja pakkumine tehti neljale gigandile, kes olid: Boeing, Lockheed Martin, McDonnell Douglas ja Northrop Grumman. 16. novembril 1996. aastal valiti nelja seast võitjateks kaks esimest, kes kumbki said 750 miljonit dollarit ehitamaks kaks lennukit, mille seast siis pidi valitama lõplik võitja. Peamised rahastajad olid USA ja Suurbritannia pluss veel kaheksa vähemat riiki.
Boeing ehitas X-i mudelid X-32 Monica (versioonides A ja B) ning Lockheed Martin mudeli X-35. Boeing X-32A tegi oma esimese lennu 18. septembril 2000, X-32B 29. märtsil 2001. Lockheed Martini X-35 juures võeti aluseks nende maineka hävitaja F-22 Raptor baasdetailid, mida siis edasi arendama asuti. Kontseptlennukitest ehitati ja katsetati lendudel kahte mudelit X-32A (mis hiljem konverteeriti mudeliks X-35B) ja suurematiivalisem X-35C. Oma esimese lennu tegi X-35A 24. oktoobril 2000. Mõlemad mudelid kasutasid mootoritena (nagu ka lennukid Boeing X-32) Pratt ja Whitney F119-PW-611 turboreaktiivmootorit. 20. juulil demonstreeriti X-35 edukat starti vaid 150 m stardirajalt, ületati helikiirus ja maanduti vertikaalselt. 26. oktoobril 2001 kuulutati Lockheed Martin võistluse võitjaks ning nemad arendasidki välja seeriatootmisse läinud Lockheed Martin F-35 Lighting II mudeli.
Kaotus oli suureks löögiks Boeingile, kes püüdis küll saada allhankija lepingut, ent nagu oli lepingus kirjas – võitja võtab kõik. Selle hävitajaprogrammi aastakulu on umbes 12,5 miljardit dollarit, projekti kogumaksumus ulatub aga üle 1,1 triljoni dollari (ca sajakordne Eesti riigi aasta eelarve).
Taas kosmosesse
X-37 projekt algas 1999, aastast 2004 läks ta DoDi kätte. Boeing X-37 on tuntud ka kui OTV (Orbital Test Vehicle). Oma esimese maandumise tegi ta kandelennukilt alla visatuna edukalt aastal 2006. Järgnevalt on ta teinud viis kosmoselendu (neist neli Atlas V kanderaketiga, viimase aga Falcon 9 abiga). Avalend (USA-212) toimus aprillis 2010, viimane lend (USA-277) startis 7. septembril 2017 ning sai pikimaks kosmoses veedetud lennuks, maandudes alles 780 päeva hiljem 27. oktoobril 2019. Algselt disainiti X-37 kosmosesse lendama kosmosesüstikute kargoruumis, kuid peale Columbia katastroofi disainiti see ümber kanderaketile Delta II 7920 ning sealt edasi juba kanderaketile Atlas V.
Kuna tegemist on kaitseministeeriumi valitsusalas oleva veel väga värske programmiga, on suurem osa lendude eesmärkidest ja tulemustest salastatud. Oma mõõtmetelt on X-37 senistest pisim orbitaalne kosmoselennuk (X-15 ja SpaceShipOne jäävad suborbitaalsesse klassi) ja teine mehitamata kosmoselennuk pärast venelaste Burani. Pikkust on tal 9 m, tiiva siruulatust 4,55, kõrgust 2,9 m ja stardikaalu 5 tonni. Kargoruumi suurus on põrandapinnalt 2,1 x 1,2 m. Orbitaalkiirus on 28 044 km/h.
Last but not least
Praegu on töös taas ülehelikiirusega lendama mõeldud Lockheed Martin X-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport), mille arendust alustati 2016. Esimene katselend peaks toimuma võib-olla juba järgmisel aastal. Tema peamiseks iseärasuseks peaks saama madal ülehelikiiruse „pauk“ – maapinnal oleks selle tekitatud helitugevus kuulaja jaoks vaid 60 dB(A) ehk tuhandik seniste ülehelikiirusega lennukite tekitatud mürast. Või ta tekitaks vaid 75 PLdB (Perceived Level decibel) müra maapinnal (võrdluseks: Concorde’il oli see 110 PLdB). See lubaks taolise lennuki laiemat kasutust ka asustatud alade kohal. 29 meetrit pika 9meetrise tiivasiruulatusega ja 14,7tonnise stardikaaluga lennuki tippkiirus oleks Mach 1,6 ja lennulagi 16,8 km.
